杀疯了！他今年已发五篇Nature子刊！

前言介绍

2023年3月13日，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent院士团队分别在Nature Catalysis和Nature Synthesis上发表了两篇最新成果，即“Supramolecular tuning of supported metal phthalocyanine catalysts for hydrogen peroxide electrosynthesis”和“A silver-copper oxide catalyst for acetate electrosynthesis from carbon monoxide”。

其实，在今年短短三个多月时间里，Edward H. Sargent院士团队已发表了五篇Nature子刊，分别发表在Nature Energy、Nature Catalysis和Nature Synthesis上。

其中，前面三篇已被详细介绍过，就不在赘述！下面，对这两篇最新成果进行简要的介绍，以供大家学习和了解！

Nature Catalysis：过氧化氢电合成催化剂—负载型金属酞菁的超分子调控

对比工业蒽醌工艺，双电子氧还原提供了一种具有潜在低成本和能耗较低的过氧化氢（H₂O₂）合成工艺。然而，现有性能最好的多相电催化剂在电流密度超过300 mA cm⁻²时H₂O₂的催化性能远远低于工业运行所需效率。基于此，多伦多大学Edward H. Sargent院士、韩国首尔国立大学Yung-Eun Sung和Taeghwan Hyeon（共同通讯作者）等人报道了一种利用碳纳米管（CNT）基底中的氧官能团的超分子方法，当与酞菁钴催化剂耦合时，可以改善酞菁钴的吸附，防止团聚，并进一步产生一个缺乏电子的Co中心，其与合成H₂O₂的关键中间产物的相互作用朝着最佳方向调整。

在中性介质中，该催化剂在电流密度为300 mA cm⁻²下的过电位为280 mV，周转频率（TOF）超过50 s⁻¹，对比已报道最好性能的H₂O₂电催化剂，活性提高了一个数量级。此外，该催化剂的性能可以持续100 h以上。能源分析显示，每吨H₂O₂的总能源成本为38 GJ，对比工业蒽醌工艺中使用的67 GJ tonne⁻¹减少了40%。

图1. 电子调控H₂O₂分子电催化剂的计算研究

图2. CoPc-CNT(O)的合成与结构表征

图3. CoPc-CNT(O)的电化学表征

图4. 流动电池中生产H₂O₂的性能

综上所述，作者引入了一种超分子方法，可以实现高效、可扩展的H₂O₂电催化合成。该策略采用了分子电催化剂：作者发现CNT表面氧官能团的存在加强了CoPc和碳表面之间的π-π相互作用，从而调节了Co中心的电子密度，进而以一种有利于H₂O₂电催化合成的方式定制其与关键OOH*中间体的相互作用。CoPc-CNT(O)催化剂在300 mA cm⁻²下的过电位为280 mV，TOF超过50 s⁻¹，在中性介质中对H₂O₂的选择性达90%，对比性能最好的H₂O₂电催化剂，活性提高了一个数量级。该工作有助于未来合成H₂O₂。

Supramolecular tuning of supported metal phthalocyanine catalysts for hydrogen peroxide electrosynthesis.Nature Catalysis, 2023, DOI: 10.1038/s41929-023-00924-5.

https://doi.org/10.1038/s41929-023-00924-5.

Nature Synthesis：Ag-Cu₂O催化剂电催化CO合成乙酸

乙酸（CH₃COOH）是一种重要的化工原料，从二氧化碳（CO₂）中电催化合成乙酸提供了传统合成路线的低碳替代方案，但是直接从CO₂中还原会带来CO₂交叉能量损失。其中，一氧化碳（CO）电还原绕过了这一点，激发了科学家们对级联反应的研究兴趣，即CO₂到CO，再CO到乙酸。

近日，多伦多大学Edward H. Sargent院士（通讯作者）等人报道了一种催化剂设计策略，作者合成了一系列Ag-Cu₂O催化剂，使用动力学限制的电替换策略来改变表面Ag含量，并产生不同的活性位点。在最佳Ag: Cu负载条件下，Ag-Cu₂O催化剂的乙酸法拉第效率（FE）含量达到70%，乙酸局部电流密度峰值为310 mA cm⁻²。

通过operando-拉曼光谱和密度泛函理论（DFT）计算，作者提出了一种抑制乙烯和乙醇形成的不稳定机制，但可生成乙酸。在膜电极组件（MEA）中应用该催化剂，作者实现了全电池能量效率（EE_FC）为25.5%，同时乙酸钠浓度为4.8 wt%。对整个乙酸生产途径的能量分析表明，采用这种CORR技术的级联反应的总能量强度为93 GJ ton⁻¹_acetate，比560 GJ ton⁻¹（CO₂RR，双极性）和300 GJ ton⁻¹（CO₂RR，中性）更优，这是取代当前生产方法的重要一步。

图1. 电合成乙酸示意图

图2. Ag-Cu₂O催化剂的合成与表征

图3. Ag-Cu₂O系列的电化学性能测量

图4. AgCu板上C₂通道的计算

图5. 不同催化剂的表征

图6. Ag-Cu₂O催化剂的乙酸生产活性和MEA中合成乙酸

综上，作者展示了一种两步电合成乙酸的方法，碳足迹降低了十倍。不同Ag负载的Ag-Cu₂O合金NP预催化剂能够抑制乙烯和乙醇的生成，从而在200 mA cm⁻²下乙酸的FE为70%。DFT计算研究，电化学测量和operando拉曼光谱阐明了Ag掺入Cu在选择性醋酸生产中的作用。研究表明，Ag的存在和围绕Ag原子的活性位点使CORR中的乙醇和乙烯途径不稳定，同时保持乙酸途径的性能。在MEA系统中的催化剂在~5 wt%的乙酸钠溶液和100 mA cm⁻²下稳定运行18 h，EE_FC为25.5%。

A silver-copper oxide catalyst for acetate electrosynthesis from carbon monoxide. Nature Synthesis, 2023, DOI: 10.1038/s44160-023-00259-w.

https://doi.org/10.1038/s44160-023-00259-w.

杀疯了！他今年已发五篇Nature子刊！

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